L connubio tra elettronica e materie plastiche si fa sempre più stretto e promettente. Dal Michigan, passando per le pagine della rivista Nature Materials, arriva la notizia della messa a punto di uno strato sottile conduttore adatto per componenti elettronici polimerici ad alte prestazioni, verniciabili e direttamente scrivibili. Lo ha realizzato il team guidato da Jinsang Kim, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso il Dipartimento di ingegneria chimica della Università del Michigan di Ann Arbor.
I semiconduttori sono l’ingrediente fondamentale per processori dei computer, per celle solari e display a LED; ma hanno un pesante limite: sono costosi. I semiconduttori inorganici come il silicio per essere trasformati in componenti elettronici richiedono alte temperature, superiori anche ai mille gradi, e dispendiosi sistemi di aspirazione; mentre i semiconduttori organici e plastici possono essere preparati su un normale banco di laboratorio.
Il guaio è che i portatori di carica, come gli elettroni, non possono muoversi attraverso la plastica con la stessa facilità con cui si muovono attraverso i semiconduttori inorganici; ciò è dovuto, in parte, al fatto che ogni molecola di polimero semiconduttore è analoga a un filo molto corto e nell’insieme questi fili sono disposti in modo casuale.
Tuttavia, come ha osservato il chimico coreano, la mobilità di carica lungo le catene polimeriche è molto più veloce che tra i polimeri. È possibile allora sfruttare la buona conducibilità lungo i polimeri e finora i gruppi di ricerca interessati l’hanno fatto cercando di allineare i polimeri come in una “superstrada” speciale per il trasporto di carica; ma è un po’ come cercare di organizzare e allineare delle nanoscopiche tagliatelle bollenti.
Il gruppo di Kim allora ha affrontato il problema in altro modo, cercando di rendere più “intelligenti” i polimeri semiconduttori. Hanno ottenuto una soluzione liquida di polimero che poteva essere passata superficialmente con un pennello in modo che le molecole si allineassero automaticamente l’una con l’altra nella direzione voluta, assemblandosi in film sottili di semiconduttori ad alte prestazioni.
In primo luogo, hanno progettato i polimeri in modo da renderli lisci e scorrevoli. Scegliendo polimeri in modo opportuno, i ricercatori hanno impedito che aderissero l’un l’altro quando erano in soluzione. Ma per potersi allineare durante la pennellata, era necessario che si attraessero sottilmente: allora ci volevano delle superfici che rimanevano piane quando il solvente si prosciugava. Evitando poi che i polimeri non allineati formassero dei grandi blocchi, grazie all’aggiunta di bracci flessibili che si estendevano ai lati della superficie e impedivano un contatto troppo stretto tra le parti. Polimeri con queste proprietà si allineano nella direzione di una forza applicata, come quella trasmessa dal pennello.
In tal modo il professor Kim è convinto di aver fatto un grande passo avanti, stabilendo un principio di design molecolare completo di polimeri semiconduttori con possibilità di allineamento diretto.
E il bello è che funziona. Il team della Michigan ha realizzato molecole che rispondono pienamente al progetto e ha costruito un dispositivo per la diffusione della soluzione di polimero su superfici quali vetro o una pellicola di plastica flessibile. La forza dalla lama di silicio, muovendosi a una velocità costante attraverso il polimero liquido, si è rivelata sufficiente per allineare le molecole.
Lo stesso gruppo ha poi costruito il film semiconduttore in un semplice transistor, una versione dei componenti elettronici che compongono i processori dei computer. Il dispositivo ha evidenziato l’importanza dell’allineamento del polimero mostrando che i portatori di carica si spostano nella direzione parallela alla pennellata di silicio mille volte più velocemente di quanto non accadesse in precedenza.
«Combinare il principio stabilito della progettazione molecolare – ha detto Kim – con un polimero che ha un’ottima mobilità intrinseca dei portatori di carica, crediamo che possa fare una grande differenza nell’elettronica organica. Attualmente stiamo sviluppando un metodo versatile di fabbricazione al fine di realizzare circuiti elettronici in plastica, verniciabile, ad alte prestazioni e in varie scale di lunghezza, dai nanometri ai metri».
Il professore ritiene che la tecnica funzioni altrettanto bene con pennini a scala atomica o grandi applicatori a forma di spatola per fare l’elettronica di tutte le dimensioni, dagli indicatori a LED ai rivestimenti ad assorbimento di luce per le celle solari.
